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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet einer durch den Benutzer betätigbaren
Vorrichtung um eine Benutzereingabe, zum Beispiel für das Bewegen
eines Symbols, wie zum Beispiel eines Cursors auf einer Anzeigeeinheit
bei graphischen Benutzerschnittstellen von Computersystemen zur
Verfügung
zu stellen.
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Die
wachsende Interaktivität
von Unterhaltungssystemen im Heimbereich, besonders Kabelfernsehen,
interaktivem Fernsehen und Internet Set-top Boxen, stellt größere Anforderungen
an handbediente Steuerungen.
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Mäuse sind
allgemein als durch den Benutzer betätigbare GUI-Vorrichtung verwendet worden. Mit Hilfe
einer Maus leitet ein Benutzer die Bewegung eines Cursors durch
entsprechende manuelle Mausbewegungen über einen Anzeigeschirm.
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Vorrichtungen
von der Art eines Joysticks sind ebenfalls verwendet worden. Im
Besonderen ist eine TrackPoint III Zeigevorrichtung, wie sie von
der IBM Corporation bereitgestellt wird (wobei nachstehend „Vorrichtung
vom Typ TrackPoint" oder „TrackPoint
Vorrichtung", „Trackpoint" und „Trackpoint
III" Warenzeichen der
IBM Corporation sind) in vielen Laptopcomputern integriert in die
Tastatur befestigt worden. Eine Vorrichtung vom Typ TrackPoint umfasst
eine knopfähnliche
Anordnung, die einem Radiergummi eines Bleistifts ähnelt und
zwischen den Tasten einer Computertastatur angeordnet ist, wodurch
die Verwendung von graphischen Benutzerschnittstellen (Graphical
User Interfaces – GUIs)
in tragbaren Computern er leichtert wird. Die Notwendigkeit für eine Maus
und eine ebene Arbeitsfläche,
auf welcher der Benutzer die Maus betätigt, wird vermieden, weil
der Benutzer dazu in der Lage ist, die TrackPoint Vorrichtung gänzlich innerhalb
der Tastatur zu betätigen.
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Eine
konventionelle physische Realisierung der TrackPoint III Zeigevorrichtung
wird in der gleichzeitig anhängigen,
ebenfalls zugewiesenen US Patentanmeldung 08/181,648, eingereicht
am 01.04.94 (europäische
Patentanmeldung 953000940) beschrieben. Diese Implementierung umfasst
Messinstrumente mit Belastungsaufnehmern und einen Stab, der als
ein Hebelarm dient. Durch Manipulieren des Stabes verbiegt der Benutzer
die Belastungsmessinstrumente. Die von den Belastungsmessinstrumenten
erzeugten kleinen Analogsignale werden von Software in der Baugruppe
interpretiert, und der Cursor wird dementsprechend bewegt.
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Die
Belastungsmessinstrumente erzeugen bei Vollausschlag eine Signaländerung
von ½%
und müssen
während
der Herstellung individuell abgeglichen werden, um ihre Ausgangssignale
anzupassen. Die Herstellung und der Abgleich von diesen Belastungsmessinstrumenten,
verbunden mit dem kleinen Analogsignal, das sie erzeugen, tragen
zu den Kosten des Sensors und der Elektronik bei, die benötigt wird,
um ein TrackPoint III System herzustellen. Außerdem stellt die geringe Größenordnung
der Signaländerung
bei Vollausschlag eine Belastung für das Datenerfassungsystem
dar, das die Signale der Belastungsmessinstrumente in Cursorbewegungssignale
verarbeitet.
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Ein
wichtiges Ziel beim Entwurf und der Herstellung von Vorrichtungen
vom Typ TrackPoint ist daher die Reduktion dieser die Kosten erhöhenden Faktoren.
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Diesen
Themen ist beim Entwurf und der Herstellung von anderen Arten von
durch den Benutzer betätigbaren
elektronischen Bauelementen begegnet worden. Zum Beispiel wird eine
konventionelle Anordnung in Hughes, US Patent 4,305,007, „Electronic
Two Directional Control Apparatus", ausgegeben am 8. Dez 1981, gelehrt.
Dieses Patent beschreibt eine Anordnung, die vier Sensorelektroden
umfasst, deren Kapazitäten
unabhängig
von einander als Reaktion auf die Nähe zu einem externen Objekt
variieren.
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Eine
physische Realisierung der Hughes Anordnung wird in der 7 des Hughes Patents gezeigt, die als 1 der
vorliegenden Patentanmeldung wiedergegeben wird. Im Sinne der Einfachheit
und um eine kurze Zusammenfassung der Beschreibung der Anordnung
gemäß Hughes
zu ermöglichen,
sind die für
die Zusammenfassung nicht direkt relevanten Bezugszeichen gelöscht worden.
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Die
Anordnung gemäß Hughes
beinhaltet Sensorelektroden 5, die vier Quadranten festlegen.
Ein Steuerungselement 3 am Ende eines bewegbaren Elements 2,
das von oben durch ein Kugelgelenk 1 gelagert wird, bewegt
sich in Bezug auf die Sensorelektroden 5. Diese Elemente
sind in einem drei dimensionalen, geerdeten Abschirmgehäuse 4 enthalten.
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Es
ist jedoch zu bemerken, dass die Anordnung gemäß Hughes, zusätzlich dazu,
dass sie für
eine Implementierung in einer Tastatur oder in einem tragbaren Computer
unpraktisch ist, be trächtliche
Kosten für
die Teile und den Zusammenbau beansprucht. Das Fertigungsverfahren
muss auch einen manuellen Abgleich der elektronischen Schaltung
umfassen, um die Ausgangssignale der vier Quadranten anzupassen.
Deshalb stellt die Vorrichtung gemäß Hughes die erwünschten
niedrigen Kosten nicht zur Verfügung.
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Die
EP-A-0628976 offenbart einen nicht kontaktierenden Joystick, der
eine Steuerachse aufweist, die universell um eine Z-Achse beweglich
ist. Ein sphärischer
leitfähiger
Körper
ist an einem Ende der Steuerachse befestigt. Eine Vielzahl von leitfähigen Platten
ist den sphärischen
Körper
umgebend angeordnet. Eine Ladungsstromversorgung liefert elektrische
Energie mit einer ersten Polarität
an den sphärischen
Körper
und elektrische Energie einer zweiten Polarität zu der Vielzahl von leitfähigen Platten.
Jede leitfähige
Platte formt einen veränderbaren
Kondensator mit dem sphärischen
Körper
aus. Der Kapazitätswert
jedes veränderbaren Kondensators
ist eine Funktion der Verschiebung des sphärischen Körpers in Bezug auf die Z-Achse.
Eine Schaltung erzeugt eine Vielzahl von Positionssignalen, wobei
jedes Positionssignal auf einen Kapazitätswert eines entsprechenden
veränderbaren
Kondensators reagiert. Die Positionssignale zeigen die relative
Position des sphärischen
Körpers
an.
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US-A-5006952
offenbart eine Signalaufbereitungsschaltung für vielkanalige kapazitive Verschiebungswandler.
Der Wandler umfasst drei unterscheidende kapazitive Wandler, die
durch entsprechenden Rechteckwellen von Modulatoren angesteuert
werden. Die Modulatoren werden bei verschiedenen Frequenzen betrieben,
die sogar Vielfache von einander sind, die von einem Teiler abgeleitet
sind. Die Signale von jedem differentiellen Kapazi tätspaar des
Wandlers werden von einem gemeinsamen Ladungsverstärker empfangen.
Sie werden dann von entsprechenden phasenempfindlichen Gleichrichtern
demoduliert, von denen jeder bei der gleichen Frequenz betrieben
wird wie der entsprechende Modulator. Die Ausgangssignale der phasenempfindlichen
Gleichrichter werden integriert, zum Beispiel durch Schaltungen
für einen
der Kanäle
und das entstehende Spannungssignal wird auf den entsprechenden
Modulator zurückgekoppelt,
so dass das Eingangssignal des Ladungsverstärkers gegen Null geht. Die
Verwendung von Modulationsfrequenzen, die sogar Vielfache von einander
sind, ermöglicht
es, dass die Signale durch einen einzelnen Ladungsverstärker gemultiplext
werden können.
Der mechanische Aufbau des Vielkanalwandlers wird ebenfalls beschrieben.
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US-A
471 9538 offenbart einen kapazitiven Wandler einschließlich einer
Vielzahl von ersten Elektroden, welche, zusammen mit mindestens
einer zweiten Elektrode, eine Vielzahl von Kondensatoren definieren, die
eine Kapazität
aufweisen, die mit dem Abstand variabel ist. Ein Betätigungselement,
das mit einer Platte verbunden ist, die mindestens eine zweite Elektrode
trägt,
lenkt die Platte winkelförmig
ab. Diese winkelförmige Ablenkung
verursacht den Abstand und auf diese Weise, dass die Kapazität von Elektrodensätzen, die
auf gegenüber
liegenden Seiten des Zentrums der Platte angeordnet sind, auf eine
differentielle Weise variiert.
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Dementsprechend
stellt die Erfindung eine Vorrichtung für die Abtastung der Betätigung durch
einen Benutzer und für
die Erzeugung eines Signals in Bezug zu dieser Betätigung zur
Verfügung,
wobei die Vorrichtung nachfolgendes umfasst: ein Auslenkelement,
welches auf Betätigung
eines Benutzers reagierend ausgelenkt wird, wobei das Auslenkelement
ein elektrisch leitfähiges
Element umfasst; eine Vielzahl von Aufnehmern (30), die
so gegen das Auslenkelement angeordnet sind, dass sie dem elektrisch
leitfähigen
Element des Auslenkelements gegenüber liegen, wodurch entsprechende
Kapazitäten
zwischen dem elektrisch leitfähigen
Element und den jeweils entsprechenden der Abtastelemente bestehen,
wobei die Kapazitäten
Werte aufweisen, die in Bezug auf die Auslenkung des Auslenkelements
variieren; Mittel zur Ermittlung der jeweiligen Signale von den
Abtastelementen, wobei die jeweiligen Signale in Beziehung stehen
mit den jeweiligen Kapazitäten und
in ihrem Wert variieren in Abhängigkeit
von der Auslenkung des Auslenkelements; und ein ebenes Element,
wobei die Abtastelemente auf dem ebenen Element angeordnet sind;
und wobei das Auslenkelement beweglich mit dem ebenen Element verbunden
ist, wobei das Auslenkelement nachfolgendes umfasst: ein Verankerungselement,
das starr mit dem ebenen Element verbunden ist, wobei das Verankerungselement
in seiner Form ringförmig
ist; ein bewegliches Element, das beweglich ist als Reaktion der
Betätigung
von diesem durch einen Benutzer; und ein Verbindungselement, das
physisch zwischen das Verankerungselement und das bewegliche Element
gekoppelt ist, wobei das Verbindungselement flexibel ist, um eine
Bewegung des beweglichen Elements relativ zu dem Verankerungselement
zu ermöglichen;
und wobei das Verbindungselement so geformt ist, dass es eine Ruheposition
und eine zusammengeklappte Position aufweist, wobei der physische Übergang
zwischen der Ruheposition und der zusammengeklappten Position dem
Benutzer eine taktile Rückmeldung
zur Verfügung
stellt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
umfasst weiterhin Mittel dazu, das elektrisch leitfähige Element elektrisch
zu erden, um es von Streukapazitäten
abzuschirmen. Außerdem
sind die Abtastelemente ausgeformt, um eine gewünschte Übertragungsfunktion zwischen
der Auslenkung des Auslenkelements und den Werten der Signale zu
erzeugen, die von den Mitteln zur Ermittlung ermittelt werden. Vorzugsweise
ist das Verbindungselement entweder kuppelförmig oder als eine ringförmige Wölbung ausgeformt.
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Solche
Vorrichtungen können
auch einen Schalter umfassen, der eine erste Position aufweist,
wenn das Auslenkelement nicht betätigt wird, und eine zweite
Position aufweist, die eingenommen wird, wenn der Benutzer das Auslenkelement
betätigt.
Solch ein Schalter kann für
Benutzereingabebefehle des Typs „zeigen und klicken" („point
and click") verwendet
werden. Eine Möglichkeit
für das
Auslenkelement ist es, dass es ein zusammenklappbares Element umfasst,
das eine zusammengeklappte und eine nicht zusammengeklappte Positionen
aufweist, wobei das zusammenklappbare Element die zusammengeklappte
Position auf Benutzerbetätigung
des Auslenkelements reagierend einnimmt, und ansonsten in der nicht
zusammengeklappten Position verbleibt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung weiterhin ein isolierende dielektrische
Schicht, die auf dem planaren Element über den Abtastelementen angeordnet
ist; und das elektrisch leitfähige
Element des Auslenkelements umfasst eine federnde Schicht aus elektrisch
leitfähigem
Material, wobei die Schicht eine strukturierte Oberfläche aufweist,
die Auskragungen und Aussparungen umfasst; wodurch die Auskragungen,
auf die Betätigung
des Auslenkelements ansprechend, Kontakt mit der isolierenden Schicht herstellen,
um eine kapazitive Beziehung mit den Abtastelementen einzurichten;
und wodurch, auf weitere Betätigung
des Auslenkelements rea gierend, die in Kontakt mit der isolierenden
Schicht befindlichen Auskragungen deformiert werden, um so eine
Größenordnung
des elektrisch leitfähigen
Materials der federnden Schicht zu erhöhen, die in Kontakt mit der
isolierenden Schicht ist, wodurch ein Kapazitätswert der kapazitiven Beziehung
verändert
wird.
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Die
oben beschriebene Vorrichtungen zur Abtastung von Benutzerbetätigungen
kann in Verbindung mit einem Computer verwendet werden, der eine
Anzeigeeinheit und eine graphische Benutzerschnittstelle einschließlich eines
durch den Benutzer betätigbaren
Symbols auf der Anzeigeeinheit umfasst, wobei die Vorrichtung Mittel
für die
Benutzereingabe umfasst, um die Betätigung des Symbols durch den
Benutzer zu erleichtern, und weiterhin Mittel umfasst, die auf die
Betätigung
der Eingabemittel durch den Benutzer reagierend betriebsfähig sind,
um die Signale entsprechend einer vorher festgelegten Übertragungsfunktion
zu verarbeiten, um Signale der Betätigung des Symbols zu berechnen,
die der Betätigung
der Benutzereingabemittel entsprechen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Mittel zur Verarbeitung ein durch den Computer ausführbares
Computerprogramm; eine RC Oszillatorschaltung, wobei die RC Oszillatorschaltung
auf Grundlage der entsprechenden Kapazitäten arbeitet; und Mittel zur
Verarbeitung entsprechend einer stückweise linearisierten Übertragungsfunktion,
die eine Skalierung umfasst, wobei die Übertragungsfunktion vorzugsweise
in Bezug auf einen vorbestimmten Satz von Punkten definiert wird,
die repräsentativ
sind für
Parameter, die als Funktion von festgelegten Frequenzwerten gemessen
wurden.
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Die
weiter oben beschriebene Vorrichtung weist besondere Anwendbarkeit
für eine
Computervorrichtung für
eine graphische Benutzerschnittstelle (Graphical User Interface – GUI) auf
und kann in Anordnungen verwendet werden, die normalerweise Vorrichtungen
wie die TrackPoint Zeigevorrichtungen der IBM Corporation in Tastaturen
von verschiedenen IBM Computerprodukten verwenden. Eine solche Vorrichtung
stellt im Vergleich mit konventionellen Anordnungen Kostensenkungen
bei der Herstellung von durch den Benutzer betätigbaren Zeigevorrichtungen
des Typs TrackPoint zur Verfügung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
erlaubt es, die Betätigung
von einem Benutzer abzutasten und erzeugt Signale, die mit der Betätigung in
Beziehung stehen und die dann als Teil einer Benutzerschnittstellenanordnung
verwendet werden können.
Zum Beispiel könnten
die Signale in einem Personalcomputer verwendet werden, der einen
Anzeigebildschirm aufweist, um die Bewegung eines angezeigten Symbols,
wie zum Beispiel eines Cursors zu bewirken. Die bevorzugte Ausführungsform
umfasst ein Auslenkelement zusammen mit Mitteln dafür, zu bewirken,
dass das Auslenkelement auf eine Benutzerbetätigung desselben reagierend ausgelenkt
wird und danach in eine Ruheposition zurückkehrt, und auch eine Abtastfühlermatrix,
die aus einer Vielzahl von Abtastelementen zusammengesetzt ist,
die gegen das Auslenkelement angeordnet sind. Es werden Mittel dafür zur Verfügung gestellt,
um die jeweiligen Signale der Abtastelemente abzutasten, wobei die jeweiligen
Signale in ihrem Wert je nach Auslenkung des Auslenkelements variieren.
Diese Bauelemente können
aus preisgünstigen
elektrischen Bauelementen und einfachen mechanischen Bauelementen
hergestellt werden, um eine Zeigevorrichtung mit niedrigen Kosten
herzustellen, deren physikalische Größe und Dimensionen für den Gebrauch
in Anwen dungen wie in der Tastatur integrierten Vorrichtungen vom
Typ TrackPoint geeignet sind. Die Abtastelemente umfassen vorzugsweise
flache, elektrisch leitfähige
Elemente auf einem ebenen Substrat, wie zum Beispiel geätzte leitfähige Bereiche
auf einer gedruckten Leiterplatte, und das Auslenkelement umfasst
typischerweise ein elektrisch leitfähiges Element, dessen auf Grund
der Betätigung
durch einen Benutzer variierende Nähe zu den Abtastelementen einen
dementsprechend variierenden Kapazitätswert erzeugt. Die Größenordnung
der Kapazität
wird von einem Datenerfassungssystem bestimmt, das vorzugsweise
RC Oszillatoren und einen Mikrocontroller umfasst. In Übereinstimmung
mit einer geeigneten Übertragungsfunktion
wird der Kapazitätswert
verwendet, um die Cursorbewegungssignale zu erzeugen.
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Solche
Vorrichtungen können
vorteilhaft als Zeigevorrichtung sowohl für tragbare Fernbedienungsanwendungen
als auch für
Tastaturen verwendet werden. Die Kosten sind ein bestimmender Faktor
beim Erfolg jeder auf den Verbraucherelektronikmarkt ausgerichteten
Vorrichtung. Das hierin beschriebene kapazitive Abtast- und Datenerfassungssystem
(Oszillator und Mikrocontroller) stellt vorteilhaft niedrige Herstellungskosten zur
Verfügung.
Diese kostengünstige
kapazitive Vorrichtung ist von Natur aus auch weniger teuer als
eine Maus. Auf diese Weise erfordern beide Zeigetechnologien einen
Mikrocontroller. Außerdem
erfordert eine Maus zwei optische Unterbrecher, zwei mechanische
Platten, eine rotierende Kugel und eine drei dimensionale Anordnung,
um diese Komponenten einzurichten. Eine bevorzugte Implementierung
der Erfindung umfasst eine an der Leiterplatte angeschlossene leitfähige Platte
und eine preisgünstige
integrierte Schaltung (Schmitt Trigger NAND) und verwendet somit
weniger Bauelemente und ist leichter, herzu stellen und zusammenzusetzen.
Weiterhin bedeutet die Abwesenheit beweglicher Teile, die der Umgebung
ausgesetzt sind, vorteilhaft geringe Wartung und eine geringe Ausfallrate.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt im Detail nur auf dem Weg von Beispielen mit
Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben:
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1 zeigt
ein Diagramm im Querschnitt von einer Anordnung gemäß dem Stand
der Technik;
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2 zeigt
eine seitliche Ansicht im Querschnitt von einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
eine Draufsicht auf einen Teilbereich der Ausführungsform gemäß 2,
die die Geometrie von einer Reihe von Abtastelektroden zeigt;
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4 zeigt
ein schematisches elektrisches Diagramm der Schaltung für die Ausführungsform
gemäß 2;
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5 und 6 zeigen
Abbildungen im Querschnitt, die Ansichten von verschiedenen alternativen Ausführungsformen
der Erfindung zeigen, die weiterhin eine Umschaltung beinhalten,
um taktile Rückkopplung
zur Verfügung
zu stellen;
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7A zeigt
eine Darstellung im Querschnitt, die eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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7B und 7C zeigen
detaillierte Sichten auf einen Teil der Ausführungsform gemäß 7A;
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8A zeigt
eine Seitenansicht im Querschnitt von noch einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung;
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8B zeigt
eine Draufsicht auf den Querschnitt von einem Teilbereich der Ausführungsform
gemäß 8A;
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9 zeigt
einen Graphen, der Übertragungsfunktionen
zeigt, die Betätigungseingabekraft,
Abtastfühlerfrequenzausgabe
und geeichte Abtastfühlerausgabe
in Beziehung zu einander setzt; und
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10A und 10B zeigen
die Draufsicht auf Abtastelektroden, die ähnlich zu denen gemäß 3 ausgeführt sind,
aber alternative Geometrien aufweisen.
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Erste Ausführungsform – Basisabtastvorrichtung
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird in den 2, 3 und 4 gezeigt. 2 zeigt
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im
Querschnitt. Ein Auslenkelement 20 umfasst einen mit einer
Welle 24 durch einen strukturierten Aufsatz 26 verbundenen
leitfähigen
Kegel 22. Ein Beispiel für den Aufsatz kann aus der
ebenfalls anhängigen,
ebenfalls zugeteilten US Patentanmeldung 08/315,651, eingereicht
am 30.9.94 mit dem Titel „Grip
Cap for Computer Control Stick" ersehen
werden (eine Kopie dieser Anmeldung wird hiermit in der Anlage in
die Akte der vorliegenden Anwendung aufgenommen). Das Auslenkelement 20 erzeugt
eine durch den Benutzer betätigbare
Stabzeigevorrichtung, die ein Aussehen und eine Haptik ähnlich zu
der einer konventionellen TrackPoint III Vorrichtung aufweist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
die Welle 24 und der strukturierte Aufsatz 26 jedoch durch
eine flache Platte ersetzt werden, die vom Benutzer gedrückt wird.
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Der
leitfähige
Kegel 22 ist in seiner Form vorzugsweise kegelförmig, aber
es können
auch leitfähige Elementen
in anderen Formen verwendet werden, die sich Personen, die in der
Technik ausgebildet sind, anbieten würden. Auch kann ein nicht leitfähiges Element,
das eine leitfähige
Schicht oder ein leitfähiges
Element auf seiner Oberfläche
aufweist verwendet werden.
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Unterhalb
des leitfähigen
Kegels 22 befindet sich eine Leiterplatte 28,
die eine Vielzahl von Aufnehmern trägt, die als Abtastelektroden 30 gezeigt
werden. Die Anzahl der Abtastelektroden 30 ist vorzugsweise vier,
um bidirektionale Bewegung in zwei Dimensionen festzustellen. Jedoch
werden andere geeignete Anzahlen und Anordnungen von Abtastelektroden 30 von
Personen als für
andere Anwendungen geeignet verstanden werden, die in der Technik
ausgebildet sind.
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3 stellt
eine Draufsicht auf das Board 28 zur Verfügung, die
im Detail ein bevorzugtes Layout der Abtastelektroden 30 zeigt.
Die Abtastelektroden 30 sind als vier Quadranten eines
Kreises angeordnet. Die Abtastelektroden 30 bestehen vorzugsweise
aus geätztem
kaschierten Kupfer und sind elektrisch vom leitfähigen Kegel isoliert durch
eine dünne
isolierende Schicht, wie zum Beispiel eine Lötzinnmaske oder ein nicht leitfähiges Isolierband
(nicht gezeigt).
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Sich
auf 2 zurück
beziehend, ist das Auslenkelement 20 mechanisch mit dem
Board 28 verbunden durch Mittel dafür, das Auslenkelement 20 in
eine Ruheposition auszurichten, von der aus das Auslenkelement 20 durch
Benutzerbetätigung
beweglich ist. Abstände 33 erscheinen
zwischen dem leitfähigen
Kegel 22 und den Elektroden 30. Die kegelförmige Form
des leitfähigen
Kegels 22 erleichtert die Formung der Abstände 33.
Aus der Beschreibung, die nachfolgt, wird ersehen werden, dass andere
Formen äquivalent
verwendet werden können,
so lange die Formen die Ausformung von Abständen erleichtern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Mittel zur Ausrichtung ein flexibles Element, um den
leitfähigen
Kegel 22 in eine Ruheposition auszurichten und um den leitfähigen Kegel 22 in
die Ruheposition zurück
zu drängen,
wenn er durch eine äußerlich
angewandte Kraft aus der Ruheposition heraus bewegt worden ist.
Das flexible Element kann ein dehnbares Element, wie zum Beispiel
ein Draht 32 sein, der mit dem Auslenkelement 20 verbunden
ist und der auf das Board 28 hinunter führt, an das der Draht 32 befestigt
ist.
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Wegen
der kegelförmigen
Form des leitfähigen
Kegels 22 formt die Kegelspitze des Kegels 22 einen Berührungspunkt
zwischen dem Auslenkelement 20 und dem Board 28 aus.
Der Draht 32 verläuft
axial durch den leitfähigen
Kegel 22, tritt aus dem leitfähigen Kegel 22 an
dessen Kegelspitze aus und verläuft
direkt durch das Board 28. In der veranschaulichten Ausführungsform
wird der Draht 32 durch eine elektrisch geerdete Befestigungsniete 34 mit
einem leitfähigen
Masselötauge 36 auf
dem Boden des Boards 28 befestigt.
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Die
Kegelspitze stellt einen Lagerpunkt für den leitfähigen Kegel 22 zur
Verfügung.
Eine Spannung auf dem Draht 32 stellt eine Federwirkung
zur Verfügung,
um das Auslenkelement 20 in einer aufrecht Position zu halten
(das heißt
Ruheposition), wenn keine Kraft auf das Auslenkelement 20 ausgeübt wird
und um das Auslenkelement 20 in die Ruheposition zurückzuführen, nachdem
eine Krafteinwirkung, die zuvor angewandt wurde, wieder freigegeben
wird.
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Wenn
eine Kraft senkrecht zur Welle 24 (das heißt horizontal,
wie in 2 gezeigt) angewandt wird, biegt sich der Draht 32 und
bringt einem Teil des leitfähigen
Kegels 22 näher
an eine oder mehrere der Abtastelektroden 30 heran und
einen anderen Teil (auf der gegenüberliegenden Seite) weiter
von den entgegen gesetzten einen oder mehreren Abtastelektroden 30 weg.
Die Abstände 33 verändern die
Größenordnung
dementsprechend.
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Der
leitfähige
Kegel 22, die entsprechenden Abtastelektroden 30 und
die Abstände
zwischen diesen erzeugen vier veränderbare Kondensatoren. Die
Werte der veränderbaren
Kondensatoren hängen
von der Entfernung zwischen dem leitfähigen Kegel 22 und
den entsprechenden Abtastelektroden 30, das heißt von den
Dimensionen der Abstände 33 ab.
Wenn zum Beispiel die Entfernung zwischen dem leitfähigen Kegel 22 und
einer von den Abtastelektroden 30 abnimmt (das heißt, die
Breite des Abstands 33 abnimmt), nimmt die Kapazität zwischen
dem leitfähigen
Kegel 22 und dieser der Abtastelektroden 30 zu.
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Die
Anordnung der vier Abtastelektroden 30 gemäß der veranschaulichten
bevorzugten Ausführungsform
wird als eine Quadraturerfassungsanordnung bezeichnet. Eine Quadraturerfassung
ermöglicht
es, dass zwei Freiheitsgrade gemessen werden (das heißt die x
und y Komponenten der angewandten Kraft).
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Der
Draht 32, welcher auf dem Masselötauge 36 geerdet ist,
erdet vorzugsweise auch den leitfähigen Kegel 22. Das
leitfähige
Masselötauge 36 und
der geerdete leitfähige
Kegel 22 schirmen die Abtastelektroden 30 von
elektrischem Rauschen und Streukapazitäten ab, die sonst die Sensorablesung,
wie zum Beispiel durch die menschliche Hand oder andere elektronische
Schaltungen in der Nähe
eingebrachte Felder beeinflussen könnten. Das leitfähige Masselötauge 36 und
der geerdete leitfähige
Kegel 22 schützen
auch die Abtastelektroden 30 und ihre zugehörige Elektronik
vor elektrischer Entladung von Hochspannung.
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In
einer bevorzugten Implementierung des Sensors gemäß 2 und 3 betragen
der äußere Durchmesser
der Abtastelektroden 30 und des (oberen) Fußpunkts
des leitfähigen
Kegels 22 beide 10 mm, und der Draht 32 weist
einen Durchmesser von 0,61 mm auf. Bei den bis heute durchgeführten Implementierungen
wurde Klavierdraht aus Stahl verwendet, aber auch jedes andere geeignete
Material, zum Beispiel andere Arten von Musikdrähten, wie die Saiten für Saiteninstrumente,
kann verwendet werden.
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Änderungen
in der Kapazität
werden vorzugsweise dadurch gemessen, dass jede der Abtastelektroden 30 in
einen entsprechenden RC Oszillator integriert wird. Die resultierende
RC Zeitkonstante und daher die Frequenz der Oszillation ist eine
Funktion der Kapazität
zwischen dem leitfähigen
Kegel 22 und den entsprechenden Abtastelektroden 30.
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Sich
jetzt auf 4 beziehend wird ein elektrisches
Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung für die Anwendung
der durch die Vorrichtung der Erfindung zur Verfügung gestellten Kapazitäten gezeigt.
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Die
vier Abtastelektroden 30 gemäß 2 und 3 sind
in 4 als veränderbare
Kondensatoren Ca, Cb, Cc und Cd dargestellt. Die Masse von jeder
der Abtastelektroden 30 ist vorzugsweise die des leitfähigen Kegels 22.
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Die
veränderbaren
Kapazitätswerte
werden in Verbindung mit Rückkopplungswiderständen R8,
R3, R4 und R9 und mit NAND Gattern U1/A, U1/B, U1/C und U1/D verwendet
(vorzugsweise zur Verfügung
gestellte in einer integrierten Schaltung 74HC132 mit Schmitt-Trigger
Eingang (Pinbelegung gezeigt)), um vier Oszillatoren und einen Sensorselektor
zu erzeugen.
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Jedes
NAND Gatter weist zwei Eingänge
auf, einen der als Oszillatoreingang dient (zum Beispiel der Pin
2 Eingang des U1/A Gatters der 74HC132 Anordnung, der als mit der
Abtastelektrode 30 verbunden gezeigt wird, die als Kondensator
Ca dargestellt ist) und den anderen (zum Beispiel der Pin 1 Eingang
des Gatters U1/A), der als eine Auswahlsteuerungsleitung dient.
Wenn die Auswahlsteuerungsleitung von einem der vier NAND Gatter „high" ist (während die
anderen drei Steuerleitungen „low" sind), oszilliert
der ausgewählte Oszillator.
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Die
Ausgänge
der vier NAND Gatter Oszillatoren (zum Beispiel die Pins 3, 6, 8
und 11 der veranschaulichten 74HC132 Vorrichtung) werden zusammen
geODERt durch einem Transistor Q5 (zum Beispiel einen bipolaren
2N3906 PNP Transistor). Geeignete Kopplung, wie zum Beispiel durch
die Widerstände
R7, R2, R5 und R10 wird zur Verfügung
gestellt. Der Ausgang des Transistors Q5 (der Kollektor des Transistors
Q5) erzeugt auf diese Weise ein Signal, das bei einer Frequenz oszilliert,
die mit der Kapazität
der ausgewählten
Abtastelektrode 30 in Beziehung steht.
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Die
Frequenz der Oszillation des geODERten Ergebnisses wird von einem
Mikrocontroller 38, vorzugsweise einer integrierte Schaltung
PIC16C58A gezählt
(Pinbelegung gezeigt). Der Mikrocontroller 38 führt Kalibrierungscode
aus, der die Verstärkung
von jeder der vier veranschaulichten Sensorschaltungen normalisiert,
wodurch ein normalisiertes Kraftsignal erzeugt wird, das Bauelemente-,
mechanische und herstellungsbedingte Toleranzen kompensiert.
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Da
der Aufnehmer eine konventionelle Mauszeigevorrichtung emulieren
soll, die Geschwindigkeit als Ausgangsgröße aufweist, führt der
Mikrocontroller 38 eine nicht lineare Umwandlung auf die
normalisierten Kraftsignale aus, um ein Geschwindigkeitssignal zu
erzeugen. Der Mikrocontroller 38 formatiert das Geschwindigkeitssignal
in ein konventionelles Mausprotokoll, wie zum Beispiel "Microsoft Maus" und gibt das Geschwindigkeitssignal über einen
Ausgang, wie zum Beispiel eine serielle Anschlussbuchse 39 (RS-232
oder PS/2) oder eine Infrarot-(IR) Anschlussbuchse 37 aus.
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In
der Ausführungsform
gemäß 4 werden
zwei Arten von Kommunikationsschnittstellen, Infrarot (IR), im Allgemeinen
als 37 gezeigt, und drahtgebunden, im Allgemeinen als 39 gezeigt,
zur Verfügung
gestellt. Eine oder beide können
bei Implementierungen entsprechend der Erfindung verwendet werden.
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In
der IR Schnittstelle 37 schaltet ein Hochstromtransistor
Q6 (zum Beispiel ein FZT869) zum Zweck der infraroten Kommunikation
infrarotes Licht mit hoher Helligkeit emittierende Dioden 37A (zum
Beispiel HSDL4220). In der drahtgebundenen Schnittstelle 39 richtet
ein Schwachstromschalttransistor Q4 (zum Beispiel 2N3906) eine serielle
RS-232 Kommunikationsschnittstelle 39A ein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wählt der
Mikrocontroller 38 einen der NAND Gatter Oszillatoren aus
und zählt
die Anzahl der Oszillationen über
einen festen Zeitraum. Die abgeschlossene Zählung ist proportional zur
Sensorfrequenz 80 und wird verwendet, um die angewandte
Kraft zu bestimmen. Dies wird detaillierter im Abschnitt "Dynamische Kalibrierung" erläutert, der
weiter unten erscheint.
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Die
Rückkopplungswiderstände R8,
R3, R4 und R9 sind für
die durch den Mikrocontroller 38 maximal auswertbare Oszillationsfrequenz
ausgewählt,
typischerweise geringer als 1 MHz. Jeder Abtastkanal wird über 2,5
ms integriert (die Oszillation werden gezählt), was zu einer Aktualisierungsrate
von 100 Hz für
die Richtung und Größe der Krafteinwirkung
führt,
die auf den leitfähigen
Kegel 22 angewandt wird. Die Implementierung stellt ein
Sensormesssignal mit einer Auflösung
von 10 Bit zur Verfügung
mit einer Änderung
bei Vollausschlag von über
25%.
-
Die
gegenwärtigen
Kosten für
große
Mengen (zum Beispiel mehr als 100.000) des Schmitt Trigger NAND
Schaltkreises beziehungsweise des Mikrocontrollers 38 betragen
ungefähr
$ 0,20 und $ 1,00 je Stück, wodurch
es möglich
gemacht wird, einen kapazitiven Sensor mit Aufnahme- und Verarbeitungshardware
für weniger
als $ 3 zu bauen. Diese Zahlen lassen sich ziemlich vorteilhaft
mit vorherigen Implementierungen von Zeigevorrichtungen, wie zum
Beispiel der der ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung 08/181,648 vergleichen. Es ist auch zu beachten,
dass die anderen konventionellen Vorrichtungen, wie zum Beispiel
die im Hughes Patent gezeigte, offensichtlich viel kost spieliger
herzustellen wären,
selbst wenn sie für
in die Tastatur integrierte Anwendungen geeignet wären.
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Im
Vergleich zu Hughes sind Vorrichtungen entsprechend der Erfindung
unter Verwendung eines konventionellen Verfahrens für gedruckten
Leiterplatten leichter und weniger teuer herzustellen und sind kompakter,
weil sie einen geringeren Querschnitt aufweisen.
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Das
Verbinden des Auslenkelements 20 mit der zwei dimensionalen
Oberfläche
(wie zum Beispiel der Leiterplatte 28), die die Abtastelektroden 30 umfasst,
wie in 2 und 3 gezeigt, vermindert die Material- und
Zusammenbaukosten und stellt eine kompaktere Vorrichtung zur Verfügung.
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Es
ist auch zu beachten, dass das Hughes Patent gemäß dem Stand der Technik eine
Vorrichtung lehrt, deren Ruheposition keinen Leiter in die Umgebung
der Abtastelektroden bringt. In dieser Ruheposition ist jede der
Kapazitäten
jeder Abtastelektrode aufgrund des relativ großen Abstands vernachlässigbar.
Im Gegensatz dazu ist der leitfähige
Kegel 22 entsprechend der vorliegenden Erfindung in der
Nähe der
Abtastelektroden 30. Die Kapazitäten der Abtastelektroden 30 weisen
in der Ruheposition endliche, messbare und verwendbare Werte auf.
-
Außerdem müssen die
Kapazitätswerte
in der Ruheposition nicht unbedingt gleich sein oder sogar im Wesentlichen
gleich sein. Wie weiter unten erörtert
werden wird, werden Übertragungsfunktionen
einschließlich
Skalierung verwendet, um Gebrauch von der von den Kapazitätswerten
erhaltenen Rohinformation zu machen.
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Weil
eine Vielzahl von Abtastelektroden, wie zum Beispiel die beispielhaften
vier zweidimensionalen Abtastelektroden 30 auf einem Substrat
in ständiger
naher Nachbarschaft zum Auslenkelement 2C angeordnet sind,
macht dies eine Kalibrierung erforderlich, die von Hughes nicht
vorhergesehen wurde. Die entsprechende Kalibrierung wird unten beschrieben,
um einen genauen und empfindlichen Kraftaufnehmer aus kostengünstigen
Teilen mit niedriger Toleranz unter Anwendung von kostengünstigen
Herstellungsverfahren zu schaffen. Kleine Kräfte nahe der Ruheposition genau
zu messen, ist wichtig in Computeranwendungen für die Betätigung auf Pixelebene. Daher
ist ein Vergleich des resultierenden Aufnehmers entsprechend der
Erfindung mit konventionellen Vorrichtungen sogar in Betracht der
mit der Kalibrierung verbunden Herstellungszeit und der Kosten vorteilhaft.
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Die
Kapazitäten
werden vorzugsweise durch Verwenden eines anpassungsfähigen Algorithmus
kalibriert, in dem die maximalen, minimalen und die Signale der
Ruheposition gespeichert sind, und in dem ein Verstärkungsfaktor
aus diesen Werten berechnet wird. Unabhängige RC Oszillatoren werden
verwendet und jede Elektrode 30 trägt im Wesentlichen zur Kapazität von einem
RC Oszillator bei. Deshalb werden vorteilhaft genaue Werte erzielt.
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Zweite
Ausführungsform – Abtastvorrichtung
mit Auswahlschalter Entsprechend einer zweite Ausführungsform
der Erfindung wird ein Schalter zusammen mit der oben beschriebenen
Abtastvorrichtung zur Verfügung
gestellt. Der Schalter ist vorzugsweise monostabil und weist eine
stabile Position auf, wenn das Auslenkelement 20 nicht
betätigt
wird und weist eine zweite Posi tion auf, die der Schalter einnimmt,
wenn das Auslenkelement 20 in einer geeigneten Art betätigt wird
und verbleibt in der zweiten Position nur, bis der Benutzer aufhört, das
Auslenkelement 20 zu betätigen.
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Der
Schalter wird für
einen (oder beide) von zwei Zwecken zur Verfügung gestellt. Der erste Zweck steht
in Verbindung mit der Verwendung von mechanischen Schaltern auf
konventionellen Mäusen,
um Ziele zu wählen
(ein Klick), Programme zu starten (zwei Klicks) und ein Symbol oder
ein anderes Ziel auszuwählen und
zu ziehen (drücken,
um ein Ziel zu wählen,
gedrückt
halten während
das Ziel bewegt wird). Ein Schalter wie in der zu beschreibenden
Ausführungsform
zur Verfügung
gestellt, stellt diese gleiche Funktionalität zur Verfügung.
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Der
zweite Zweck des Schalters gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
hat mit Energiesparen zu tun. In batteriebetriebenen Systemen, wie
tragbaren Computern und audiovisuellen Gerätefernbedienungen, wird die
Abtastelektronik vorzugsweise nur dann angeschaltet, wenn der Aufnehmer
tatsächlich
von einer Bedienperson benutzt wird. Ein Umschalten wird entsprechend
der Erfindung zur Verfügung
gestellt, um diese Energieeinsparung zu erzielen.
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Das
Energiesparen wird wie folgt durchgeführt: Ein Zeitnehmer wird verwendet,
um die Abtastelektronik nach einer Periode der Inaktivität abzuschalten.
In einer Ausführungsform ähnlich der
gemäß 4,
wird der Mikrocontroller 38 vorzugsweise darauf programmiert,
die Zeitberechnung und die Umschaltfunktion auszuführen.
-
Um
die Abtastelektronik wieder zu aktivieren, wird der Schalter verwendet,
um Benutzeraktivität
anzuzeigen. In einer bevorzugten Implementierung wird ein Abfrageverfahren
verwendet. In solch einem Verfahren wird die Abtastelektronik periodisch,
zum Beispiel jede Sekunde aktiviert, um auf Aktivität zu überprüfen. Wenn die
Abfrage anzeigt, dass der Aufnehmer berührt worden ist, wird die Spannungsversorgung
wiederhergestellt. Eine Berührung
wird vorzugsweise mittels eines Schwellendrucks, wie zum Beispiel
10 Gramm bestimmt. Das Schließen
des Schalters sendet ein „aufwachen" Signal an den Mikrocontroller 38.
-
In
einer bevorzugten Weise, um es solch einer Umschaltanordnung zu
ermöglichen,
den Mikrocontroller 38 zu wecken, wendet der Benutzer eine
senkrechte (z Achse) Kraft auf den Zeigstab an, der durch die weiter
unten beschriebenen Ausführungsformen
erzielt wird. (Es ist übrigens
anzumerken, dass eine ähnliche Benutzerbetätigung der
Vorrichtung entsprechend der Erfindung auch ein Ziel auswählen und
ziehen kann.) Bezug nehmend auf 5, wird
ein mechanischer Schalter 50 unter dem Aufnehmer angeordnet,
der vom Auslenkelement 20 abgesetzt ist, wobei die Leiterplatte 28 als
ein Hebelarm verwendet wird und einen Drehpunkt 52 aufweist,
der gegenüber
liegend zum Schalter 50 angeordnet ist. Der Einbauplatz
des Drehpunkts 52, des Elements 20 und des Schalters 50 können relativ
zueinander in jeder geeigneten Anordnung platziert werden, um die
gewünschten
Aktivierungskraft und Auslenkung zu erzielen.
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Der
mechanische Schalter 50 ist vorzugsweise vom Typ einer
Metallkuppel, um eine taktile Rückkopplung
(einen Impuls „Klick") zu erzeugen, wenn
er einrastet, und eine Hysterese aufzuweisen, wenn er gelöst wird.
Die Schalteraktivierungskraft sollte vorzugsweise größer als
die Kraft sein, die verwendet wird, um einen Cursor zu bewegen,
um versehentliches Schaltereinrasten zu verhindern, wenn eine Verschiebung
des Cursors beabsichtigt wurde. Eine typische Schalteraktivierungskraft
beträgt
350–400
Gramm mit 50 Gramm an Hysterese.
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Bezug
nehmend auf 6 wird ein Auslenkelement 59 an
Stelle des leitfähigen
Kegels 22 verwendet. Die obere Oberfläche des Elements 59 weist
eine Form und eine geeignete Konsistenz auf, die für einen
guten Kontakt mit der Fingerspitze eines Benutzers geeignet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Element 59 aus spritzgussgeformtem Gummi hergestellt.
Es können
jedoch andere Materialien verwendet werden, die Eigenschaften aufweisen,
die für
den hierin beschrieben Zweck geeignet sind.
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Die
untere Oberfläche
des Elements 59, die dem Aufnehmer 30 gegenüber liegt,
weist eine darauf angeordnete leitfähige Schicht, wie zum Beispiel
eine Schicht aus leitfähigem
Gummi 58 auf. Die leitfähige
Gummischicht 58 weist vorzugsweise eine leicht kegelförmige Form
auf, um einen veränderbaren
Abstand zwischen dem leitfähigen
Gummi 58 und den Abtastelektroden 30 zur Verfügung zu
stellen. Wie in 6 gezeigt, liegt die Kegelspitze
des kegelförmigen
leitfähigen
Gummis 58 geringfügig
näher bei
dem Board 28, als dies für den Umfang des leitfähigen Gummis 58 der
Fall ist. Diese Anordnung eignet sich gut zur Kalibrierung (weiter
unten beschrieben).
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Das
Element 59 weist vorzugsweise eine niedrige Elastizität auf. Eine
Betätigung
durch die Fingerspitze des Benutzers be wirkt, dass das Element 59 als
ein im Wesentlichen formbeständiger
Körper
verschoben wird. Ebenso wird die leitfähige Schicht 58 verschoben,
um Änderungen
in der Kapazität
zu verursachen, ähnlich
den Änderungen
in der Kapazität,
die weiter oben für
die vorherige Ausführungsform
der Erfindung beschrieben wurden.
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Eine
in der x-y Ebene auf die Spitze des Auslenkelements 59 angewandte
Kraft (eine seitliche Kraft, das heißt, eine die eine Komponente
parallel zur Leiterplatte 28 aufweist) bewirkt, dass ein
Abschnitt des leitfähigen
Gummis 58 sich näher
zu den Abtastelektroden 30 bewegt. Diese nähere Nachbarschaft
verursacht eine unterscheidbare Änderung
in der Kapazität
in den vier Abtastelektroden 30.
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Eine
auf die Kegelspitze des Auslenkelements 59 in der z-Achse
angewandte Kraft (gerade nach unten in Richtung der Leiterplatte 28)
bewirkt, dass der leitfähige
Gummi 58 sich näher
zu allen vier Abtastelektroden 30 hin bewegt. Diese Bewegung
verursacht eine gemeinsame Änderung
in der Kapazität
in den vier Abtastelektroden 30.
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Der
Mikrocontroller 38 gemäß 4 verarbeitet
die vier Signale der Abtastelektroden, um diese Kraft in Richtung
der z-Achse zu bestimmen.
Ein bevorzugtes Verfahren um dieses zu tun, ist, die kalibrierten
Ausgänge
von jedem Sensorkanal zu summieren. Diese Berechnung wird detaillierter
im Abschnitt erläutert,
der die Kalibrierung beschreibt (weiter unten).
-
Ein
Schaltzustand kann aus der festgestellten Kraft in Richtung der
z-Achse durch mehrere Verfahren abgeleitet werden. Ein einfaches
Verfahren ist es, eine absolute Schwelle zu set zen, die überstiegen
werden muss, um als Änderung
im Schaltzustand interpretiert zu werden. Eine Hysterese kann hinzugefügt werden, um
ein „Kontaktprellen" des Schalters zu
verhindern, wenn sich die in Richtung der z-Achse angewandte Kraft, die
auf die Kegelspitze des Auslenkelements 59 angewandt wird,
im Mittel um die Umschaltschwelle bewegt.
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Ein
anderes Verfahren besteht darin, eine Ableitung der in Richtung
der z-Achse angewandten Kraft mit einem Schwellenwert zu vergleichen.
Dieses Verfahren kann die erste Ableitung verwenden, die die Geschwindigkeit
darstellt, oder die Ableitung verwenden, die die Beschleunigung
darstellt.
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Ein
weiterer Aspekt der bevorzugten Anordnung gemäß 6 stellt
eine taktile Rückkopplung
zur Verfügung.
Eine dünne
Wand 57 wird gezeigt, die um einen Umfang des Auslenkelements 59 herum
führt.
Die dünne
Wand 57 wird im Querschnitt gemäß 6 an jedem äußeren Ende
des Auslenkelements 59 gezeigt. Die Form der Wand 57 folgt
vorzugsweise der Form des Umfangs des Auslenkelements 59.
Wo das Element 59 kegelförmig ist, ist die Wand 57 in
der Form ringförmig, ähnlich der,
die weithin in Gummikuppelschaltern zur Verfügung gestellt wird.
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Wie
bei ähnlichen
Anordnungen in Kuppelschaltern, stellt diese Wand 57 eine „Loslösungs" – Kraft zur Verfügung. Das
heißt,
eine abrupte taktile Empfindung, die auf eine Fingerspitzenkraft
einer geeigneten Größenordnung
anspricht, wird vom Zusammenklappen der dünnen Wand 57 unter
dem Druck der Fingerspitze des Benutzers verursacht.
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Diese
Loslösungskraft
stellt dem Benutzer eine physische taktile Rückkopplung zur Verfügung, wenn das
Auslenkelement 59 in der z-Achse mit ausreichender Aktivierungskraft
(zum Beispiel 30 Gramm) gedrückt wird.
Für den
Zweck des Betriebs des GUI nimmt die Schaltung gemäß 4 die
Aktivierungskraft über
den Mikrocontroller 38 als eine dramatische Veränderung
in der Summe aller Sensorkanäle
wahr.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird eine die Umschaltung wahrnehmende Elektrode 56 auf
der Leiterplatte zur Verfügung
gestellt. (Die 6 zeigt die Elektrode 56 zentriert
unterhalb des Auslenkelements 59, aber andere geeignete
Positionen können
auch verwendet werden.)
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Das
Zusammenklappen der dünnen
Wand 57 ermöglicht
es dem leitfähigen
Gummi 58 physischen widerstandsbehafteten Kontakt mit der
die Umschaltung wahrnehmenden Elektrode 56 herzustellen,
eine elektrische Schaltung zu schließen und ein elektrisches Signal
zu erzeugen. Das elektrische Signal kann verwendet werden, um den
Mikrocontroller 38 aus seinem schlafenden Zustand zu wecken
oder um als ein Mausschalter zu dienen (um zum Beispiel ein Ziel
auszuwählen),
wenn der Mikrocontroller 38 in Betrieb ist.
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Die
in 6 veranschaulichte Ausführungsform kann mit Hilfe von
ansonsten konventionellen Materialien für Gummikuppelschalter und ansonsten
konventionellen Herstellungsverfahren aufgebaut werden, wodurch
die Kosten und die Komplexität
reduziert werden. Das Auslenkelement 59 und der leitfähige Gummi 58 können Teil
einer in einem Stück
ausgeformten Vielfachschalteranordnung wie jenen sein, die bei Fernsehfernbedienungen
verwendet werden. Einige alternative Verfahren der Herstellung umfassen
das Beschichten der Seite des Auslenkelements 59, das der
Leiterplatte 28 gegenüber
liegt, mit ei nem leitfähigen
Material, oder das Imprägnieren
des ganzen Auslenkelements 59 mit einem leitfähigen Füllmittel,
wie zum Beispiel Karbon.
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Dritte
Ausführungsform – federndes
leitfähiges
Material Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung
der Erfindung wird in den 7A, 7B und 7C gezeigt,
sowie eine allgemeine Ansicht im Querschnitt beziehungsweise zwei
detaillierte Ansichten im Querschnitt.
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Mit
Bezug auf 7A wird ein Auslenkelement 60 auf
der Leiterplatte 28 angeordnet, wobei Letztere die Abtastelektroden 30 und
die eine Umschaltung wahrnehmende Elektrode 56 darauf angeordnet
aufweist, entsprechend den zuvor erläuterten Ausführungsformen.
Die leitfähige
Gummischicht 58 gemäß 6 wird durch
einen strukturierten leitfähigen
Gummi 62 ersetzt, der wie zuvor mit der inneren (unteren)
Oberfläche des
Auslenkelements 60 verbunden ist.
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Eine
dünne isolierende
Schicht 63 (zum Beispiel eine Lötstoppmaske oder ein nicht
leitendes Isolierband) wird vorzugsweise zur Verfügung gestellt,
um einen widerstandsbehafteten Kontakt zwischen dem leitfähigen Gummi 62 und
den Abtastelektroden 30 zu verhindern.
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Die 7B und 7C zeigen
Ansichten der Oberflächendetails
des strukturierten leitfähigen
Gummis 62. Wie in 7B gezeigt,
umfasst die Oberfläche
wechselnde Auskragungen 61, vorzugsweise in der Form von
Zähnen,
und Aussparungen 64.
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Wie
im Detail gemäß 7C gezeigt,
verdichtet sich der leitfähige
Gummi 62 gegen die Leiterplatte 28, wenn Kraft
auf das Auslenkelement 60 angewandt wird. Dies bewirkt,
dass sich die Zähne 61,
hergestellt aus federndem, leitfähigem
Gummimaterial, deformieren und sich seitwärts ausdehnen, wodurch die
Aussparungen 64 ausgefüllt
werden.
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Die
Verformung des leitfähigen
Material bringt mehr von dem leitfähigen Material näher zu den
Abtastelektroden 30. Diese zusätzliche Nähe vermindert die Kapazität zwischen
dem leitfähigen
Gummi 62 und den Abtastelektroden 30.
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Vierte Ausführungsform – gleitender
leitfähiger
Kegel
-
Eine
vierte Ausführungsform
der Erfindung wird in einer Querschnittsansicht in den 8A und 8B gezeigt.
Wie es der Fall mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
ist; wird der leitfähige
Kegel 22 durch das Auslenkelement 20 über den
Abtastelektroden 30 in der Schwebe gehalten.
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In
dieser Ausführungsform
jedoch umfasst das Auslenkelement 20 eine vorzugsweise
entlang einer senkrechten Achse orientierte Welle 24, die
eine Spitze 26 zur Betätigung
durch die Fingerspitze eines Benutzers aufweist. Des Weiteren ist
ein unbewegliches Halterungselement 35 durch ein flexibles
Element 132 mit der Welle 24 verbunden. Vorzugsweise
weist das flexible Element 132 eine einer zusammenklappbaren
Kuppel ähnliche
konvexe Form auf, so dass eine Benutzerbetätigung ein Zusammenklappen
des flexiblen Elements 132 bewirken kann, wobei das Zusammenklappen
eine taktile Rückkopplung
zur Verfügung
stellt. Das Halterungselement 35 ist vorzugsweise ringförmig, wie
in 8B gezeigt, und weist vorzugsweise eine Vielzahl von
Verankerungsstellen 37 auf, die in Öffnungen in der Leiterplatte 28 eingeführt werden,
um das Halterungselement 35 an Ort und Stelle zu verankern.
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Der
Kegel 22 ist mit dem Boden der Welle 24 verbunden,
um sich ansprechend auf eine Betätigung durch
die Fingerspitze eines Benutzer mit dieser zu bewegen. Wie zuvor
bestehen enge Abstände 33 zwischen der
Oberfläche
des Kegels 22 und den Aufnehmern 30.
-
Kräfte senkrecht
(x und y) und parallel (z) zur Welle 24 können von
der veranschaulichten Vorrichtung gemessen werden. Die Abstände 33 zwischen
dem gesamten leitfähigen
Kegel 22 und den Elektroden 30 (typischerweise
0,25 mm (0,01 Zoll) bei einer Krafteinwirkung von null) ermöglichen
in Verbindung mit dem Auslenkelement 20 eine drei dimensionale
Bewegung des leitfähigen
Kegels 22 durch auf die Welle 24 angewandte Kräfte. Das
flexible Element 132 stellt die Rückstellkraft zur Verfügung und
wird vorzugsweise in einer Wölbung
ausgeformt, um den Druck zu verteilen und den Druck gänzlich innerhalb
der elastischen Grenze des Materials zu halten. Die Dicke des flexiblen
Elements 132, die Länge
der Welle 24 und das Elastizitätsmodul des Materials tragen
zu der Empfindlichkeit und der Maximalkraft bei, die gemessen werden
können.
-
Ein
typisches Auslenkelement 20, hergestellt aus Nylon mit
einer 10 mm (0,4 Zoll) langen Welle und einem flexiblen Element 132 mit
der Wandstärke
0,25 mm (0,01 Zoll), kann eine Million von Betätigungszyklen durchlaufen,
wenn es mit einer Last von 350 Gramm gebogen wird.
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Die
vorliegende Ausführungsform
der Erfindung stellt vorteilhaft einfache Herstellung und Installation zur
Verfügung.
Die Verankerungsstellen 37 werden vorzugsweise aus einem
Material wie Nylon gefertigt, das mit Ultraschall an die Leiterplatte 28 geschweißt werden
kann. Der leitfähige
Kegel 22 und das Auslenkelement 20 sind vorzugsweise
in Spritzguss ausgeformte Teile, die in Presspassung zusammengefügt sind.
Die Kappe 26 weist vorzugsweise eine Textur auf, wie zum
Beispiel Auskragungen, die in das Teil gegossen sind (vorzugsweise
kleiner als 0,13 mm (0,005 Zoll) in der Breite und 0,25 mm (0,01
Zoll) in der Länge),
um in die Haut des Fingers einzuhaken, wodurch ein „griffiges" Oberteil mit hoher
Reibung zur Verfügung
gestellt wird.
-
Diese
Ausführungsform
erleichtert die Verminderung der Verwendung von leitfähigem Material,
das oft mehr als nicht leitfähige
Materialien kostet. Vorzugsweise wird der leitfähige Kegel 22 aus
leitfähigem
Kunststoff hergestellt (zum Beispiel aus mit 50% Karbonfaser angereichertem
Nylon, Teilenummer # J -1/CF/50/EG von DSM Engineering Plastics,
Evansville, IN, USA), und das Auslenkelement 20 wird aus
nicht leitfähigem Nylon
hergestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung stellen inaktive Elektroden 30 (nicht angewählt, nicht
oszillierend) einen ausreichend nahen Massebezug für den leitfähigen Kegel 22 zur
Verfügung,
wodurch die Notwendigkeit für
eine elektrische Verbindung zum leitfähigen Kegel 22 beseitigt
wird. In einer weiteren Ausführungsform
sind der leitfähige
Kegel 22, die Unterseite des flexiblen Elements 132 und
die Oberfläche der
Verankerungsstellen 37 aus leitfähigem Material hergestellt
(zum Beispiel aus mit Karbon angereichertem leitfähigem Poly merdickfilmanstrich,
Teilenummer # 7101, Dupont Electronics, Research Triangle Park,
NC), um eine niedrige Impedanz für
das leitfähige
Masselötauge 36 zur
Verfügung
zu stellen (zum Beispiel unter 1.000 Ohmn), wodurch der Dynamikbereich,
die elektronische Abschirmung und die Unanfälligkeit gegenüber Lärm der Vorrichtung
gesteigert werden.
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Vorzugsweise
dichtet die Ausführungsform
gemäß der 8A und 8B die
Elektroden 30 hermetisch von der Umgebung ab und stellt
eine Barriere gegen Feuchtigkeit (Luftfeuchtigkeit) und andere verunreinigende
Stoffe zur Verfügung.
Bezug nehmend auf 8B, eine Draufsicht auf die
Ausführungsform,
dichtet der ringförmige
Rand 35 die Elektroden 30 vollständig von
der Umgebung ab.
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Dynamische
Kalibrierung
-
In
Verbindung mit der weiter oben beschriebenen Vorrichtung wird ein
Algorithmus verwendet, um Abweichungen, bedingt durch Bauelemente,
Herstellung, Temperaturabhängigkeit,
Luftfeuchtigkeit, Mechanik und die Versorgungsspannung zu kompensieren.
Der Algorithmus läuft
während
des Betriebs einer Anordnung ab und kann in Programmcode ausgeführt sein,
um vom Mikrocontroller 38 oder von einer (nicht gezeigten) System-CPU
ausgeführt
zu werden.
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9 zeigt
einen Graphen, der die Sensorfrequenz 80, wie zum Beispiel
die, die vom Mikrocontroller 38 gemäß 4 erzeugt
wird, über
der Kraft 82 darstellt, die von der Fingerspitze eines
Benutzers auf eine Vorrichtung angewandt wird. Der Graph betrifft
eine kapazitive Beziehung zwischen einem Auslenkelement und einem
der Aufnehmer (siehe jede der weiter oben be schriebenen Ausführungsformen).
Es wird verstanden werden, dass es für eine Vorrichtung, die eine
Vielzahl von Aufnehmern wie jene verwendet, die in 3 gezeigt
werden, eine separate solche Kurve für jeden der Aufnehmer gibt.
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Die
angewandte Kraft (die Abszisse des Graphen) weist einen neutralen,
zentralen Punkt auf, bei welchem keine Kraft angewandt wird. Abweichungen
vom Nullpunkt reflektieren in der waagerechten Richtung entweder
Spannung 86 oder Kompression 83, die von Kräften aus
gegenüber
liegenden Richtungen verursacht werden, die auf einen gegebenen
der Aufnehmer 30 angewandt werden.
-
Die
Frequenz 80 von einem Sensorkanal nimmt ab, wenn der leitfähige Kegel 22 in
Richtung einer Abtastelektrode 30 (Kompression 82)
gedrückt
wird. Wenn der leitfähige
Kegel 22 von einer Abtastelektrode 30 (Spannung 86)
weggezogen wird, wird die Kapazität vermindert, und die Frequenz
nimmt daher zu. Der Bereich von Kraftwerten wird von angewandten
MAX und MIN Kraftwerten begrenzt, die in diesem Beispiel als plus
und minus 400 Gramm gezeigt werden.
-
Die
Frequenzausgabe des Sensors stellt eine Kraft/Frequenz Kurve dar,
die für
das vorliegende Beispiel als RAW 88 gekennzeichnet ist,
wobei das „RAW" sich auf die Tatsache
beziehen, dass die Kurve noch nicht dem Algorithmus (weiter unten
erläutert)
unterzogen worden ist. Die Kurve 88 weist drei Punkte auf,
CENTER 90, MAX 92 und MIN 94, die die
Sensorfrequenzen für
die angewandten Kraftwerte null, MAX und MIN definieren. Die Kraft/Frequenz
Kurve 88 verläuft
zwischen diesen Punkten. Die Punkte, das heißt ihre Koordinaten entsprechend
der Ab szisse und Ordinate, werden als Referenzwerte für jeden
Sensorkanal gespeichert.
-
Die
Form der Kraft/Frequenz Kurve 88 hängt von mehreren Faktoren ab
und umfasst die Geometrie des Auslenkelements 20 und der
Abtastelektroden 30. Die Kurve muss nicht linear sein,
und es wird in Erwägung
gezogen, das dies für
die meisten Implementierungen der weiter oben erörterten Vorrichtung nicht so
sein wird. Für
die in den 2 und 3 veranschaulichte
Geometrie ist die Kurve nichtlinear.
-
Der
Kalibrierungsalgorithmus wirkt, um die Kraft/Frequenz Kurve 88 zu
modifizieren, vorzugsweise zu linearisieren oder stückweise
zu linearisieren. Der Algorithmus wandelt die Kurve 88,
gegeben bezogen auf die Ordinatenskala auf der linken Seite des
Graphen, in eine kalibrierte Sensorkraft 102, gegeben bezogen
auf eine andere Ordinatenskala auf der rechten Seite des Graphen,
um. Der Bereich der geeichten Sensorkraft 102 verläuft zwischen
einem Minimum 104, gekennzeichnet als „–RANGE" und einem Maximum 106, gekennzeichnet
als „+RANGE 106". Das Minimum 104 und
das Maximum 106 werden mit den normalisierten Werten –64 beziehungsweise
+63 dargestellt.
-
Der
bevorzugte Kalibrierungsalgorithmus nähert die nichtlineare Kurve
RAW 88 als zwei lineare Segmente an, die zwischen den Punkten 90, 92 und 94 verlaufen.
Diese Segmente weisen Steigungen auf, die als SCALE_TENSION 96 und
SCALE_COMPRESSION 98 dargestellt sind. Die Steigungen werden,
wie gezeigt, zwischen den Punkten Maximum 92, Minimum 94 und
Zentrum 90 berechnet.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Referenzwerte MAX 92 und MIN 94 dynamisch
jedes Mal aktualisiert, wenn ein Sensorkanal ausgelesen wird. Dies
geschieht typischerweise 100-mal pro Sekunde. Der Wert CENTER 90 wird
aktualisiert, wenn das Auslenkelement 20 inaktiv ist, das
heißt,
wenn keine externe Kraft angewandt wird.
-
Im
einer Ausführungsform
wird ein inaktiver Zustand festgestellt, wenn die Änderungen
in den kalibrierten Sensorausgängen 102 aller
Sensorkanäle über einen
festen Zeitraum hinweg innerhalb einer minimalen Bewegungstoleranz
verbleiben, zum Beispiel, wenn die Änderungen in Bezug auf die
Skalierung des Sensorausgangs 102 für die Dauer von drei Sekunden
alle innerhalb dreier kalibrierter Einheiten bleiben.
-
Folgendes
ist die Darstellung eines Pseudocodes des bevorzugten Kalibrierungsalgorithmus,
der für jeden
Sensorkanalwert ausgeführt
wird:
RAW
88 = neuer Sensorwert
if (RAW
88 > MAX
92)
MAX
92 =
RAW
88 else if (RAW
88 < MIN
94)
MIN
94 =
RAW
88 if MAX
92 or MIN
94 sich
verändert
haben, führe
folgendes aus
if (RAW
88 > CENTER
90)
CALIBRATED
101 =
SCALE_TENSION
96·(RAW
88 – CENTER
90)
else
if (RAW
88 < CENTER
90)
CALIBRATED
101 =
SCALE_COMPRESSION
98·(CENTER
90 – RAW
88)
-
Wenn
die kalibrierten Sensorausgaben (gegeben in Bezug auf die kalibrierte
Sensorkraftskala 102) einmal für jeden Sersorkanal erzielt
wurden, werden die kalibrierten Werte einer „Kraft nach Geschwindigkeit" Übertragungsfunktion unterzogen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Kalibrierungsreferenzwerte (die geneigten Liniensegmente
SCALE_TENSION 96 und SCALE_COMPRESSION 98 und
die Punkte MAX 92, MIN 94 und CENTER 90)
gemessen und dynamisch berechnet. In einer weiteren Ausführungsform
werden die Kalibrierungsreferenzwerte während der Herstellung in EEPROM
oder ROM gespeichert.
-
Eine
Implementierung des dynamischen Kalibrierungsalgorithmus, der dynamischen Übertragungsfunktion
und zusätzlichen
Codes, um ein serielles Mausprotokoll und infrarote drahtlose Modulation
auszuführen,
nimmt weniger als 2 K ROM und 72 Byte RAM im PIC16C58 Mikrocontroller 38 ein.
-
Die
hierin beschriebene Vorrichtung muss in der Lage sein, zuverlässig mit
Batterieversorgung zu arbeiten. Die Frequenz der NAND RC Oszillatoren
ist von der elektrischen Versorgungsspannung abhängig. Die elektrische Spannung
von alkalischen Batterien nimmt ab, wenn Energie daraus verbraucht
wird. Eine bevorzugte Ausführungsform
verwendet eine Zener Diode, um die elektrische Versorgungsspannung
für die
NAND Schaltung zu stabilisieren. Eine weitere Ausführungsform
vermindert die MAX 92 und MIN 94 Werte periodisch um
eine feste Schrittweite, um die Abnahme der Oszillationsfrequenz
nachzuverfolgen.
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Die
Nichtlinearität
der Kraft/Frequenz Kurve (die in 9 gezeigte
Kurve) der Vorrichtungen wie der gemäß 2, kann
durch Reduzieren des Bereichs der Auslenkung des leitfähigen Kegels 22,
vorzugsweise durch Steigern der Steifigkeit oder des Durchmessers
des Drahts 34 reduziert werden. Ein kleinerer Auslenkungsbereich
umspannt einen kleineren Abschnitt der Kurve RAW 88, der
durch eine lineare Näherung
besser angenähert
wird.
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In
einer Ausführungsform
ergab ein Aufnehmer, der hergestellt wurde mit einem 10 mm (0,4
Zoll) Durchmesser des Kegels 22, mit einem Kegelwinkel
von 6 Grad, einem Musikdraht 32 mit 0,61 mm (0,024 Zoll) Durchmesser
und mit einer gesamten Länge
(das heißt
Höhe bis
zur Spitze der Kappe 26) von 13 mm (0,5 Zoll), eine kalibrierten
Sensorausgabe 102, die innerhalb von 6% linear ist. Die
Genauigkeit des stückweisen Linearisierungsverfahrens
kann durch Steigern der Anzahl von Kalibrierungsteilstücken weiter
verbessert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Form der Kurve RAW 88 durch die besondere Form
der Abtastelektroden 30 linearisiert. Bezug nehmend auf 10A sind die Abtastelektroden 30 konkav
verjüngt, um
die Steigung (Empfindlichkeit) des Frequenzausgangs 88 um
die Ruheposition (null Kraft) herum zu vermindern. Bezug nehmend
auf 10B sind die Abtastelektroden 30 konvex
verjüngt,
um die Steigung des Frequenzausgangs 88 um die Bereiche
von MAX 92 und MIN 94 herum zu vermindern. Das
Vermindern des Bereichs der Abtastelektroden 30 vermindert
den Dynamikbereich des Sensors 21. Wenn der Dynamikbereich für eine vorgegebene
Konfiguration der Elektroden 30 für eine bestimmte Anwendung
nicht angemessen ist, dann kann der Dynamikbereich durch Steigern
des Durchmessers des Kegels 22 wiederhergestellt werden.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen
oben in Verbindung mit einer Computerbenutzerschnittstelle beschrieben
worden sind, wird es verstanden werden, dass Fernseher, spezialisierte
World Wide Web Browser zur Verwendung mit Fernsehern oder anderer
Arten von Haushaltselektronik und anderen solche elektronischen
Vorrichtungen ebenfalls vorteilhaften Gebrauch von der Erfindung
machen können.
